In den nächsten zehn Jahren wird die NASA einige wirklich beeindruckende Einrichtungen in den Weltraum schicken. Dazu gehören Weltraumteleskope der nächsten Generation wie das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) und das Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop (WFIRST). Aufbauend auf dem Fundament von HubbleWFIRST wird seine fortschrittliche Instrumentensuite verwenden, um einige der tiefsten Geheimnisse des Universums zu untersuchen.
Eines dieser Instrumente ist der Koronagraph, mit dem das Teleskop einen klaren Blick auf außersolare Planeten werfen kann. Dieses Instrument hat kürzlich eine vorläufige Entwurfsprüfung durch die NASA abgeschlossen, ein wichtiger Meilenstein in seiner Entwicklung. Dies bedeutet, dass das Instrument alle Design-, Zeitplan- und Budgetanforderungen erfüllt hat und nun mit der nächsten Entwicklungsphase fortfahren kann.
Der Chronograph ist ein wichtiger Bestandteil der Planetenjagdinstrumente von WFIRST. Normalerweise ist die direkte Abbildung von Exoplaneten aufgrund der intensiven Blendung durch ihre Elternsterne schwierig. Dieses Licht ist um ein Vielfaches stärker als das Licht, das von der Oberfläche oder Atmosphäre eines Planeten reflektiert wird. Aus diesem Grund sind die kleinen Lichtspuren, die auf das Vorhandensein von Exoplaneten hinweisen, für herkömmliche Instrumente verdeckt.
Wenn Astronomen jedoch die intensive Blendung eines Sterns aufheben, haben sie eine viel bessere Chance, Planeten zu entdecken, die ihn umkreisen. Dies bietet den weiteren Vorteil, dass Exoplaneten direkt untersucht werden können, anstatt sich auf indirekte Methoden zu verlassen, bei denen Sterne auf Helligkeitseinbrüche (Transitmethode) oder Anzeichen von Hin- und Herbewegung überwacht werden, was auf das Vorhandensein eines Planetensystems hinweist (the Radialgeschwindigkeitsmethode).
Im Vergleich dazu bietet die Direktbildgebungsmethode viele Vorteile, beispielsweise die Möglichkeit, Spektren direkt von der Oberfläche und der Atmosphäre eines Planeten zu erhalten. Dies ermöglicht genauere Bewertungen der Zusammensetzung eines Planeten und der Zusammensetzung seiner Atmosphäre - d. H. Hat er Oberflächenwasser, einen Sauerstoff-Stickstoff
Jason Rhodes, der Projektwissenschaftler für das Weitfeld-Infrarot-Vermessungsteleskop (WFIRST) am Jet Propulsion Laboratory der NASA, erklärte:
„Wir versuchen, für jeden, den wir vom Planeten einfangen, eine Milliarde Photonen aus dem Stern zu entfernen. Mit WFIRST können wir Bilder und Spektren dieser großen Planeten erhalten, um Technologien zu beweisen, die dies tun wird in einer zukünftigen Mission verwendet werden - um schließlich kleine felsige Planeten zu betrachten, die flüssiges Wasser auf ihren Oberflächen oder sogar Lebenszeichen wie unsere eigenen haben könnten. “
Das Coronagraph-Instrument des WFIRST (auch bekannt als „Starglasses“) ist eine vielschichtige und hochkomplexe Technologie, die aus einem System von Masken, Prismen, Detektoren und zwei selbstbiegenden Spiegeln besteht. Diese Spiegel sind die Schlüsselkomponenten, die ihre Form in Echtzeit ändern, um einfallendes Licht aufzunehmen und winzige Änderungen in der Optik des Teleskops auszugleichen.
Zusammen mit High-Tech-Masken und anderen Komponenten - zusammen als „aktive Wellenfrontsteuerung“ bezeichnet - entfernen diese Spiegel die Interferenzen, die durch Lichtwellen verursacht werden, die sich um die Ränder der lichtblockierenden Elemente des Koronagraphen biegen. Das Endergebnis davon ist, dass das Sternenlicht gedimmt wird, während schwach leuchtende Objekte (die zuvor unsichtbar waren) erscheinen.
Der WFIRST-Koronagraph ist nicht nur 100- bis 1000-mal leistungsfähiger als frühere Koronagraphen, sondern dient auch als Technologiedemonstrator, der seine Wirksamkeit bei der Suche nach Exoplaneten testet. Diese Tests werden den Weg für skalierte Versionen ebnen, die noch größeren Teleskopen hinzugefügt werden können, einschließlich der vier vorgeschlagenen Observatorien, die bis 2030 in den Weltraum geschickt werden.
Dazu gehören die Großer UV- / optischer / Infrarot-Vermesser (LUVOIR), der Ursprünge Weltraumteleskop (OST) und die Lynx Röntgenvermesser. Mit größeren und fortgeschritteneren Koronagrammen können diese Teleskope Einzelpixel- „Bilder“ kleinerer Planeten erzeugen, die näher an ihren Sonnen kreisen (wo sich am wahrscheinlichsten felsige Planeten befinden).
Sobald das Licht dieser Bilder mit einem Spektrometer analysiert wurde, können Astronomen wie nie zuvor nach Lebenszeichen (auch bekannt als Biosignaturen) suchen. Wie Rhodos sagte:
„Mit WFIRST können wir Bilder und Spektren dieser großen Planeten erhalten, mit dem Ziel, Technologien zu beweisen, die in einer zukünftigen Mission verwendet werden - schließlich kleine felsige Planeten zu betrachten, die flüssiges Wasser auf ihren Oberflächen haben könnten, oder sogar Lebenszeichen wie unsere. “
Die Aufnahme eines Koronagraphen in WFIRST ist wichtig, da dies die erste Mission seit Hubble (seit 1990 im Orbit) ist, die einzige Flaggschiff-Mission der NASA für Astrophysik, die diese Technologie enthält. Natürlich waren Hubbles Coronagraphs weitaus einfachere und weniger ausgefeilte Versionen der Technologie als die von WFIRST verwendeten.
Das James Webb-Weltraumteleskop wird zwar früher gestartet (derzeit für 2021 geplant) und auch mit dieser Technologie ausgestattet sein, es wird jedoch nicht die gleiche Fähigkeit zur Unterdrückung von Sternenlicht aufweisen wie WFIRST. Während WFIRST das dritte Flaggschiff sein wird, das Coronagraph-Technologie einsetzt, wird es auch das fortschrittlichste sein.
"WFIRST sollte zwei oder drei Größenordnungen stärker sein als jeder andere jemals geflogene Koronagraph [in seiner Fähigkeit, einen Planeten von seinem Stern zu unterscheiden]", sagte Rhodes. "Es sollte eine Chance für eine wirklich überzeugende Wissenschaft geben, auch wenn es sich nur um eine Tech-Demo handelt."
Diese Art der Coronagraph-Technologie könnte auch die klarsten Bilder ermöglichen, die jemals von einem Sternensystem aufgenommen wurden, das sich in einem frühen Stadium der Bildung befindet. Dies ist gekennzeichnet durch einen Stern, der von einer massiven Staub- und Gasscheibe umgeben ist, während sich Planeten langsam aus angesammeltem Material bilden. Derzeit lassen sich diese Scheiben am besten mit Infrarotuntersuchungen untersuchen, mit denen die von ihrem Mutterstern absorbierte Wärme abgebildet werden kann.
Als Vanessa Bailey, Astronomin am JPL und Instrumententechnologin für das WFIRST
„Die Trümmerscheiben, die wir heute um andere Sterne herum sehen, sind heller und massiver als das, was wir in unserem eigenen Sonnensystem haben. Das Coronagraph-Instrument von WFIRST könnte schwächeres, diffuseres Scheibenmaterial untersuchen, das eher dem Haupt-Asteroidengürtel, dem Kuipergürtel und anderem Staub ähnelt, der die Sonne umkreist. "
Diese Studien könnten Einblicke in die Entstehung unseres Sonnensystems geben. Sobald die Technologie in den ersten 18 Monaten der Mission erfolgreich demonstriert wurde, kann die NASA ein sogenanntes "Participating Scientist Program" starten. Im Rahmen eines solchen Programms wäre der Koronagraph für die wissenschaftliche Gemeinschaft offen und würde eine größere Vielfalt von Beobachtern und Experimenten ermöglichen.
Die vorläufige Entwurfsprüfung ist eine von mehreren, mit denen jeder Aspekt der Mission untersucht werden soll. Jede Überprüfung ist umfassend und soll sicherstellen, dass jedes einzelne Teil mit den anderen zusammenarbeitet. Nachdem diese Entwurfsprüfung nun abgeschlossen ist, schreitet der Entwicklungsplan des Coronagraphs zügig voran.
Dies ist die zweite Hauptkomponente der WFIRST-Mission, die eine Genehmigung erhält. Das Weitfeldinstrument wurde bereits im Juni freigegeben, eine 288-Megapixel-Multiband-Nahinfrarotkamera, die eine Bildschärfe liefert, die mit der von Hubble auf einem 100-mal größeren Feld vergleichbar ist. Diese Kamera gilt als Hauptinstrument des Weltraumteleskops.
Wie Rhodos angedeutet hat, wird die WFIRST-Mission eine historische Mission sein, die der ähnlich ist Mars Pathfinder Mission, die 1997 auf dem Mars landete. Dies war die erste NASA-Mission, die einen Rover einsetzte (Sojourner) auf dem Mars, der Schlüsseltechnologien und -methoden validierte, die schließlich in die USA gelangen würden Geist, Gelegenheit, Neugier, und Mars 2020 Rover.
"Das war eine Tech-Demo", sagte Rhodes. „Das Ziel war zu zeigen, dass ein Rover auf dem Mars arbeitet. Aber es hat zu seinen Lebzeiten einige sehr interessante wissenschaftliche Arbeiten durchgeführt. Wir sind also zuversichtlich, dass dies auch für die Coronagraph-Tech-Demo von WFIRST gilt. "
